范曉虎 （淮南市重點(diǎn)工程建設(shè)管理局，安徽 淮南 232001）

0 前 言

地源熱泵是以土壤作為熱源、冷源，通過(guò)高效熱泵機(jī)組向建筑物供熱或供冷。其原理是依靠少量的電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)完成制冷循環(huán)，利用土壤溫度相對(duì)穩(wěn)定（不受外界氣候變化的影響）的特點(diǎn)，通過(guò)深埋土壤的閉環(huán)管線系統(tǒng)進(jìn)行熱交換，夏天向地下釋放熱量，冬天從地下吸收熱量，從而實(shí)現(xiàn)制冷或供熱的要求，運(yùn)行費(fèi)用低，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。地源熱泵技術(shù)是建設(shè)事業(yè)“十一五”推廣應(yīng)用技術(shù)（第一批）,是經(jīng)國(guó)內(nèi)外大量應(yīng)用實(shí)踐驗(yàn)證了的成熟的建筑節(jié)能技術(shù)，將越來(lái)越多的應(yīng)用于各項(xiàng)工程中。

1 項(xiàng)目情況簡(jiǎn)介

1.1 地上建筑概況

淮南市政務(wù)中心共計(jì)7座單體建筑，建筑總面積16×104m2，空調(diào)系統(tǒng)均設(shè)采用地源熱泵地埋管換熱器系統(tǒng)為建筑提供冷、熱源，通過(guò)與末端系統(tǒng)相結(jié)合為建筑冬季供暖、夏季供冷。

1.2 場(chǎng)地地質(zhì)概況

項(xiàng)目區(qū)120m深度地層情況如下：上部地層為松散第四系，以素填土和粘土為主，下部為基巖，包括粉質(zhì)砂巖、粉質(zhì)泥巖以及風(fēng)化泥巖（詳見(jiàn)圖1）。地層原始溫度為18.64℃，地層平均熱傳導(dǎo)系數(shù)為1.90W/mK。

2 設(shè)計(jì)措施

項(xiàng)目所在地區(qū)的地質(zhì)條件適合采用設(shè)置豎直地埋管換熱器（又稱垂直土壤熱交換器），設(shè)計(jì)地埋管換熱器長(zhǎng)度110m，冬季工況下，地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)冬季負(fù)荷側(cè)的設(shè)計(jì)供回水溫度為45/40℃，水源側(cè)的設(shè)計(jì)供回水溫度為7/12℃，流量為1.4m3/h，換熱器的排熱能力為43.8W/m；夏季工況下負(fù)荷側(cè)的設(shè)計(jì)供回水為7/12℃，水源側(cè)的設(shè)計(jì)供回水溫度為27/32℃，流量為1.4m3/h，換熱器的排熱能力為54.7W/m。單位長(zhǎng)度地埋管換熱器平均傳熱系數(shù)Ki=3.62 W/（m·K）。

2.1 埋管位置的分布

圖1 地層巖性剖面圖

圖2 地?zé)崞鲉蝹€(gè)鉆孔截面圖

本工程中室外地源換熱器埋設(shè)位置盡量靠近空調(diào)機(jī)房，以便減少管路壓力損失。地埋管的幾何分布形式根據(jù)周邊建筑物實(shí)際分布情況進(jìn)行確定，本方案選取矩陣型排列。鉆孔間距為4m×4m（行間距×列間距），鉆孔直徑約為150mm。地埋管換熱系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，并與單體建筑內(nèi)機(jī)組設(shè)置相對(duì)應(yīng)。地埋管環(huán)路兩端應(yīng)分別與供、回水環(huán)路集管相連接，且采取同程式布置。

2.2 U型管的確定

本工程采用雙U型豎直埋管的形式。單個(gè)鉆孔的截面示意圖如圖2所示。管材采用目前廣泛使用的高密度聚乙烯管（PE100)，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.42 W/(m℃)；標(biāo)準(zhǔn)尺寸比為SDR11，管外徑為32mm。

2.3 循環(huán)液選擇

可根據(jù)當(dāng)?shù)貛r土的溫度和實(shí)際需要對(duì)循環(huán)液的類型進(jìn)行選擇。本方案選擇水作為循環(huán)液。循環(huán)液的總流量應(yīng)參考所選的熱泵設(shè)備提供的數(shù)據(jù)。

3 豎直地埋管換熱器施工要求

3.1 施工工藝

施工準(zhǔn)備→放線→豎立鉆機(jī)→接水、電→施鉆→通孔（同步進(jìn)行換熱管接管、換熱管試壓）→下?lián)Q熱管→試壓→溝槽開(kāi)挖→水平管連接→水壓試驗(yàn)→水平溝槽回填

3.2 打孔

將室外地源換熱器設(shè)計(jì)圖紙上的鉆孔的排列、位置逐一落實(shí)到施工現(xiàn)場(chǎng)。鉆機(jī)就位時(shí)，要保證鉆機(jī)鉆桿垂直度，防止垂直偏差將已埋管道損壞?？讖降拇笮∫阅軌蜉^容易的插入所設(shè)計(jì)的U型管為宜。本工程設(shè)計(jì)選用外徑為Dn32 mm的雙U型管。為確保U型管順利安全的插入孔底，孔徑要適當(dāng)，一般為φ160mm，必要時(shí)應(yīng)固化。

3.3 U型管現(xiàn)場(chǎng)組裝、試壓與清洗

U型管以在現(xiàn)場(chǎng)組裝、切割為宜，以滿足有可能出現(xiàn)的設(shè)計(jì)變更，尤其是鉆孔深度的需要。下管前應(yīng)對(duì)U型管進(jìn)行第一次試壓和沖洗，然后將U型管兩個(gè)端口密封，以防雜物進(jìn)入。

3.4 下管與第二次試壓

下管是地源熱泵工程中關(guān)鍵之一，因?yàn)橄鹿艿纳疃葲Q定采取熱量的多少，所以必須保證下管的深度。為保證下管深度和打井深度能夠盡量接近，必須要做到提完鉆桿后不停頓立即下管，否則鉆好的孔擱置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，有可能出現(xiàn)局部的堵塞和井壁坍塌，這將導(dǎo)致下管困難。下管之前，在U型管上每隔3m～4m設(shè)一固定支卡將U型管分開(kāi)，以提高換熱效果。本工程采用的是人工下管的方法。U型管頭部設(shè)防護(hù)裝置，以防止在下管過(guò)程中的損傷。下管前應(yīng)將U型管與下管器捆綁在一起，U型管內(nèi)充滿水，增加自重，減少下管過(guò)程中的浮力。通過(guò)人工加壓及管材自身重力導(dǎo)流下管，具體下管方式也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況安排下管。但應(yīng)做好孔口防護(hù)措施，以免雜物落入孔中。將4根聚乙烯管一起插入孔中，直至孔底。下管完成后，做第二次水壓實(shí)驗(yàn)。確認(rèn)U型管無(wú)滲漏后，方可用細(xì)砂或其他回填料回填。

3.5 水平溝槽開(kāi)挖以及安裝分集水器

分、集水器一般為直埋敷設(shè)。水平溝槽挖好后，溝底應(yīng)夯實(shí)，填一層細(xì)砂或細(xì)土，并留有0.003~0.005的坡度。分、集水器在地上連接成若干的管段，再置于地溝與U型管連接，構(gòu)成完整的閉式環(huán)路。在分、集水器的最高端或最低端宜設(shè)置排氣裝置或除污排水裝置，并設(shè)檢查井。管道回填時(shí)應(yīng)夯實(shí)。

3.6 回填

回填工序也稱為灌漿封井，正確的回填要達(dá)到兩個(gè)目的：一是要強(qiáng)化埋管與鉆孔壁之間的傳熱；二是要實(shí)現(xiàn)密封的作用，避免地下含水層受到地表水等可能的污染。

回填材料屬多孔介質(zhì),其導(dǎo)熱系數(shù)是決定系統(tǒng)效率高低的關(guān)鍵因素。將回填材料在攪拌池中混合均勻，使其細(xì)小、松散、均勻，且不應(yīng)含石塊及土塊。經(jīng)泥漿泵將回填物料輸送到孔內(nèi)，利用泥漿泵的壓力和物料自重達(dá)到孔底，等填充物沉淀密實(shí)后，在孔內(nèi)鏟入細(xì)砂進(jìn)行封孔。回填壓實(shí)過(guò)程要均勻，回填料應(yīng)與管道接觸緊密，且不得損傷管道，確保換熱效果。

4 事故預(yù)防及處理

4.1 鉆孔塌方

在鉆孔過(guò)程中為避免鉆孔塌方，打井時(shí)灌入泥漿，比重為1.08g/cm3~1.1g/cm3,對(duì)井壁的進(jìn)行泥漿護(hù)壁，防止井壁塌方。如在打孔即將完成時(shí)發(fā)生塌方造成打孔深度不夠，應(yīng)向井孔內(nèi)投入造漿粘土，增加泥漿濃度，一般大于1.1g/cm3，加以護(hù)壁直至達(dá)到成井深度。鉆孔完畢后，應(yīng)盡快將地埋管放入孔內(nèi)，試壓合格后，將高出地基300mm用管頭封死，以免堵塞地埋管。

4.2 孔徑與設(shè)計(jì)不符

施工前和施工過(guò)程中，經(jīng)常檢查鉆頭直徑，磨損超過(guò)5mm時(shí)及時(shí)補(bǔ)焊，確保鉆頭直徑達(dá)到設(shè)計(jì)樁徑要求。

4.3 灌漿不密實(shí)

孔內(nèi)灌漿時(shí)，保證鉆孔灌漿密實(shí)，無(wú)空腔。否則會(huì)降低傳熱效果，影響工程質(zhì)量。采取加壓回灌措施，以保證灌漿完全密實(shí)。

5 施工注意事項(xiàng)

①開(kāi)始鉆井時(shí)，進(jìn)尺應(yīng)適當(dāng)控制，在護(hù)筒刃腳處，應(yīng)低檔慢速鉆井，使刃腳處有堅(jiān)固的泥皮護(hù)壁。鉆至刃腳下1m后，可按土質(zhì)以正常速度鉆井。如護(hù)筒土質(zhì)松軟發(fā)現(xiàn)漏漿時(shí)，可提起鉆錐，向孔中倒入粘土，再放下鉆錐倒轉(zhuǎn)，使膠泥擠入孔壁堵住漏漿孔隙，穩(wěn)住泥漿繼續(xù)鉆井。鉆井過(guò)程中，每井尺2m～3m，應(yīng)檢查鉆孔直徑和豎直度。

②在水平總管連接前應(yīng)先回填一層細(xì)沙，待管道連接完成后再回填細(xì)砂將管道覆蓋。回填泥土?xí)r應(yīng)將混在其中的磚塊等硬物取出，防止對(duì)管道刮傷。

③地埋管應(yīng)在保壓狀態(tài)下下管，如下管過(guò)程中發(fā)現(xiàn)壓力突然降為零，應(yīng)及時(shí)將管道拉出，重新埋入試壓合格的管道，并分析原因，提出整改辦法。下管后，U型管是應(yīng)高出垂直孔1m~2m，以便于查找和水平集管的連接。

④管道連接按先地埋管，其次環(huán)路集管（水平管），最后連接機(jī)房分、集水器的順序進(jìn)行，不同階段都應(yīng)分別進(jìn)行水壓試驗(yàn)，并應(yīng)有水壓試驗(yàn)記錄，塑料材質(zhì)污水換熱器管道應(yīng)采用熱熔或電熔連接；聚乙烯管道連接應(yīng)符合《埋地聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ101）的有關(guān)規(guī)定。

⑤地埋管工程中包括地埋管鉆孔下管、水壓試驗(yàn)、管溝開(kāi)挖、水平管聯(lián)接、管溝回填、分集水器安裝及檢查井砌筑七項(xiàng)分項(xiàng)工程。在施工中應(yīng)遵守《建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》、《建筑給水排水及采暖工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》、《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》、《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》、《制冷設(shè)備、空氣分離設(shè)備安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》、《風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》、《建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》等國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

6 經(jīng)驗(yàn)及體會(huì)

地源熱泵系統(tǒng)成功與否的一個(gè)重點(diǎn)就是地埋管換熱器設(shè)計(jì)，一旦地埋管換熱器設(shè)計(jì)不好，很容易造成系統(tǒng)工作效率下降，甚至導(dǎo)致熱泵主機(jī)無(wú)法正常工作，或者地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)大，浪費(fèi)初投資。不同的回填料、埋管方式對(duì)換熱都有影響。進(jìn)行地埋管打孔前須對(duì)地層的巖性進(jìn)行分析,充分了解項(xiàng)目所在地的地質(zhì)條件、地層熱物性參數(shù)、換熱孔的換熱能力、地層熱恢復(fù)能力以及冷熱平衡性能等參數(shù)，以便為地源熱泵系統(tǒng)的可行性論證提供基礎(chǔ)參數(shù)，并為下一步的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

系統(tǒng)建成啟動(dòng)后，換熱孔區(qū)域地層溫度會(huì)發(fā)生變化，對(duì)周圍地層的溫度場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生影響，為了系統(tǒng)運(yùn)行的安全和穩(wěn)定，建議設(shè)置1～2個(gè)地質(zhì)環(huán)境觀測(cè)孔，記錄換熱孔區(qū)域及周圍地層溫度場(chǎng)的變化情況。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，管理人員應(yīng)做好機(jī)組運(yùn)行記錄，并隨時(shí)注意觀測(cè)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)孔內(nèi)的溫度變化情況。

7 結(jié) 論

地表淺層地?zé)豳Y源的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源。這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率要高15%~50%。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。與鍋爐（電、燃料）供熱系統(tǒng)相比，地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省2/3以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省1/2以上的能量。由于地源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10℃～25℃，其制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3.5～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，效率高出40%左右，可以節(jié)約大量的能源。對(duì)于夏熱冬冷氣候區(qū)，有冬季供熱和夏季供冷的雙重需求，建筑物周圍也有空地設(shè)置地?zé)嵩磽Q熱器，采用地源熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)供熱空調(diào)不僅能實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能減排，而且該項(xiàng)目的技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，長(zhǎng)期運(yùn)行的綜合經(jīng)濟(jì)性也優(yōu)于傳統(tǒng)的供熱空調(diào)技術(shù)。

[1]GB50366-2005,地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范（2009年版）[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.

[2]DB34/1800-2012,地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程[S].2013.

[3]范曉虎.大型粉煤灰場(chǎng)地軟地基處理工程實(shí)例[J].施工技術(shù),2006（11）.

[4]嚴(yán)煦世,范瑾初.給水工程（第四版）[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1999.